聚氨酯彈性體與玻璃纖維的復(fù)合材料的研究

1、聚氨酯彈性體/玻璃纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展Huibo Zhang a,c,，W. Li b，ujie Yang a， Lude Lu a，X. Wang a，Xiangdong Sun a，Yongchun Zhang aa：中國，南京，南京科技大學(xué)，化學(xué)工程系，210094。b：加拿大，阿爾伯塔省埃德蒙頓，阿爾伯塔大學(xué)，機(jī)械工程系，T6G2。c：中國，寧波，寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，315800。摘要：用磨碎的玻璃纖維對聚氨酯彈性體復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。特別是，詳細(xì)分析了經(jīng)過有機(jī)處理的玻璃纖維的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，玻璃纖維大大增強(qiáng)了彈性體復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。此外，結(jié)果表明，可以通過添加

2、用偶聯(lián)劑化學(xué)處理過的研磨玻璃纖維可以得到最佳屬性的彈性復(fù)合材料。關(guān)鍵詞：研磨的玻璃纖維;聚氨酯彈性體;復(fù)合材料。1：介紹聚氨酯彈性體是廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)。因?yàn)樗麄冇辛己玫幕瘜W(xué)、物理和機(jī)械性能如抗氧化、低溫穩(wěn)定性，輻射電阻，和耐磨性。為了進(jìn)一步改善其力學(xué)性能可以在特定的工業(yè)發(fā)揮應(yīng)用，研究聚氨酯復(fù)合材料是一種不錯的方法。例如，wang和Pinnavaia1首先使用基蒙脫土納米復(fù)合材料和有機(jī)蒙脫土分散在多元醇聚醚結(jié)晶形態(tài)和微相分離的聚氨酯彈性體的研究。Tien和Wei2、3用蒙脫土納米復(fù)合材料合成一種新的聚氨酯使用改性蒙脫土納米復(fù)合材料為假擴(kuò)鏈劑，使聚氨酯彈性體增加了兩個模量的強(qiáng)度。Petrovic

3、a等發(fā)現(xiàn)了納米二氧化硅球晶被均勻分散在軟硬段的聚氨酯彈性體中扮演了重要角色。值得注意的是，盡管上述研究成功改善彈性體的各種性能，但是一般來說，很難同時增加彈性體的物理性能和化學(xué)性能。換句話說,就是強(qiáng)度增加，彈性降低。磨碎的玻璃纖維作為一種傳統(tǒng)的聚合物復(fù)合材料添加材料被叫做短纖維。它的主要功能是加強(qiáng)各種聚合物的耐高溫能力，如聚四氟乙烯、尼龍、環(huán)氧樹脂樹脂。特別是短纖維可用于鑄造和模具生產(chǎn)，提高表面質(zhì)量(如消除表面缺陷和裂紋)。在這項(xiàng)研究中，用偶聯(lián)劑處理過的短纖維復(fù)合聚氨酯彈性體，至于攪拌方法的選擇上面，我們選擇超聲波技術(shù)，它可以避免表面攪拌的副作用。2：實(shí)驗(yàn)過程2.1材料甲苯二異氰酸酯(TDI、

4、2 4/2,6異構(gòu)體,質(zhì)量比80/20)從日本，美國購買化學(xué)品，聚醚3010。h . Zhang等人從浙江太平洋化學(xué)有限公司購買基體材料，從上海購買1-4-丁二醇（BDO），從南京曙光化工廠購買硅烷偶聯(lián)劑（KH550），從南京玻璃纖維研究和設(shè)計(jì)研究所購買玻璃纖維（50m）。從常熟購買無水酒精，在山東購買了硅膠油脂。2.2 實(shí)驗(yàn)儀器WDN-30型微機(jī)控制萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)（中國深圳凱麗強(qiáng)機(jī)械有限公司）。樣本的大小是100毫米×10毫米×1毫米;拉伸速度是100毫米/分鐘。測試溫度是25±2°C;相對濕度為65±5%。樣品的硬度遵循一個統(tǒng)一

5、標(biāo)準(zhǔn)，測試人員來自上海六菱儀器廠。樣品的大小是40毫米×40毫米×5毫米。使用FITR WQF-510傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行分析（北京瑞麗公司）。樣本被涂上KBr。掃描數(shù)量為每個實(shí)驗(yàn)是40，分辨率為2。超聲研磨機(jī)(二院)從上海信質(zhì)生物技術(shù)研究所購買。掃描電子顯微鏡(SEM)是從JEOL買的(東京日本)。把樣品橫向切片,獲得了成型的拉伸標(biāo)本，在真空中用鉑金附上一層薄膜。掃描電鏡是在20kv的加速電壓下進(jìn)行觀察的，應(yīng)該指出，在目前的研究中，鑄造彈性體樣品直接使用掃描電鏡觀察沒有進(jìn)一步處理，從而建立組織和力學(xué)性能之間的關(guān)系，這是不同于其他的研究。文獻(xiàn)13。2.3 樣品制備2.3

6、.1 玻璃光纖耦合處理磨碎的玻璃纖維溶解在酒精和KH550中，然后混合放入一個超聲空化場發(fā)生器，處理后和干空氣,磨玻璃纖維放入烤箱在120°C 1 h和保留。2.3.2 加入磨碎的玻璃纖維多元醇加入一個500ml帶有溫度計(jì)和攪拌器的燒杯，真空中100 - 110°C，多元醇脫水1 h后，溫度下降到80°C，加入磨碎的玻璃纖維，攪拌30分鐘。然后加入甲苯二異氰酸酯，在80°C 下反應(yīng)1h。然后溫度下降到55°C，快速攪拌10分鐘。最后,反應(yīng)物被放在一個模具里溫度約為80 - 100°C，然后升溫至130下固化4h。2.3.3 垂直玻璃纖

7、維分布測量首先，用一個直徑20毫米×220毫米的不銹鋼鋼管作為模具。這個模具是的內(nèi)部使用的是硅脂釋放劑涂層，它的一端是密封用木塞。第二，把這個模具與復(fù)合材料放入烤箱，溫度130°C約4 h。然后取出復(fù)合材料和模具切取相同長度（3）和重量的樣品。第三，獲得的樣本放入烤箱，溫度450°C約4小時。有機(jī)化合物后完全燃燒后分解，稱重殘留物。最后，沉降速度和垂直分布可以從殘?jiān)亓砍詷悠分亓亢蟮玫健? 結(jié)果與討論3.1。玻璃纖維被耦合劑處理過后的表征圖1和圖2分別表示無處理的玻璃纖維表面和用偶聯(lián)劑處理過的玻璃纖維表面。由此可見，未經(jīng)處理的磨碎的玻璃纖維,纖維表面光滑,纖維非

8、常長聚合在一起，短期和長纖維不均勻分布是由于氫鍵或它們之間的顫動。相反，經(jīng)過處理的玻璃纖維均勻分布，因?yàn)槔w維表面都覆蓋著一層厚厚的劑膜，有效地降低了纖維之間的親和力。因此，這種纖維的加入能顯著降低彈性體和基質(zhì)纖維之間咬合作用。圖1 無處理的玻璃纖維表面圖2使用KH550處理過玻璃纖維表面3.2。磨碎的玻璃纖維的形貌表征彈性體圖3顯示了沒有處理過玻璃纖維形態(tài)彈性體的表面，看到軟、硬段分布明顯。這表明其裝載能力可能主要取決于硬段的分布。圖3 沒有玻璃纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的彈性體。圖4，圖5顯示了未經(jīng)處理的玻璃纖維彈性體的形態(tài)和經(jīng)過處理過的玻璃纖維彈性體的形態(tài)。可以看到磨纖維混合均勻的彈性體分布不僅有硬段還

9、有軟段,表明復(fù)合材料的力學(xué)性能更好。此外,對比圖4與圖5,我們發(fā)現(xiàn)未經(jīng)處理的纖維表面光滑,也不可能完全與聚氨酯彈性體復(fù)合。顯然,這種纖維不是很好的襯底材料。因此,當(dāng)材料經(jīng)歷了一個外力后,纖維可以很容易地被提取出來,指示一個材料的機(jī)械強(qiáng)度。相反,對于纖維、硅烷偶聯(lián)劑有很強(qiáng)的親和力的聚氨酯和玻璃纖維由于分子的一端是水解,生成親水性激進(jìn)硅氫氧化之間的縮合反應(yīng)偶聯(lián)劑和玻璃纖維。這因此表明有良好的界面粘合性能和良好的機(jī)械性能。圖4未經(jīng)處理的玻璃纖維的彈性體的形態(tài)圖5經(jīng)過處理的璃纖維彈性體的形態(tài)3.3 紅外光譜學(xué)分析進(jìn)一步確定化聚氨酯和偶聯(lián)劑之間的化學(xué)反應(yīng)，我們使用紅外光譜分析結(jié)構(gòu)的處理樣品。圖6，圖7表

10、示了樣品沒加KH550和加了KH550之后的紅外光譜圖。這兩組數(shù)據(jù)顯示，看到對于材料的官能團(tuán)是沒有影響的，表明研磨纖維沒有影響彈性體復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。尤其是，對于復(fù)合材料，有較強(qiáng)吸收峰的異氰酸酯組在2270表明，異氰酸酯的一部分仍然未能參加反應(yīng)。與此同時,吸收峰的氨基甲酸酯組約1724和1600和強(qiáng)勁的c- o- c伸縮振動峰在1103表明這兩個聚醚和二異氰酸鹽參與反應(yīng)。此外,該吸收峰在1454可能是由于非對稱彎曲振動和彎曲CHCH的振動,而峰值在1379可能是由于CH的彎曲振動 5。我們可以從游離的N-H多少，推斷出“氫鍵”的多少。圖6圖73.4。垂直分布的纖維磨彈性體為了進(jìn)一步調(diào)查磨纖維在彈

11、性體內(nèi)的作用,我們測量了垂直分布比例。表1顯示了不同比率條件下。處理過的以及未處理過的彈性體加10%和15%纖維的垂直分布，在不同的垂直分布中比率分布幾乎相同。這也符合前面的顯微結(jié)構(gòu)的觀察。表1不同的磨玻璃纖維彈性體的垂直分布垂直距離(cm)垂直分布率%通過偶聯(lián)劑處理未通過偶聯(lián)處理10%含量15%含量10%含量15%含量509.7614.639.5814.581009.7814.609.6214.601509.7514.669.6414.602009.7514.649.6214.493.5 纖維含量對復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響表2顯示了不同纖維含量下不同的機(jī)械性能，從表2可以看出，纖維含量很小的

12、復(fù)合材料 (如含量1%)、機(jī)械性能的彈性體是非常差的。對未經(jīng)處理的纖維，相應(yīng)的彈性體力學(xué)性能有改善，但加固效果并不如預(yù)期，甚至不容易發(fā)現(xiàn)(如伸長百分率)。相反，用纖維硅烷偶聯(lián)劑處理過的纖維復(fù)合材料，機(jī)械性能(如最大拉伸力和斷裂伸長)顯著增強(qiáng)。正如前面所討論的，增加纖維和基體之間的粘接強(qiáng)度，這是一個用于增強(qiáng)塑料的原則。68.表2力學(xué)性能不同的彈性體機(jī)械性能通過偶聯(lián)處理未通過偶聯(lián)處理0%1%5%10%15%10%15%拉伸力/N358.20334.94420.32453.9665.5406.5569.8肖氏硬度/A68666864756667抗拉強(qiáng)度/MPa2.642.453.185.878.05

13、4.925.59斷裂強(qiáng)度/MPa2.642.453.136.878.035.595.59斷裂伸長/ %226.44225.34242.62249.40292.5130.86145.02彈性模量/ MPa3.994.278.158.766.773.503.574 結(jié)論用磨碎的玻璃纖維對聚氨酯彈性體復(fù)合材料的其力學(xué)性能進(jìn)行了調(diào)查。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,磨玻璃纖維通過KH550處理后均勻分布在彈性復(fù)合材料商。特別是,耦合劑會形成微觀結(jié)構(gòu)和進(jìn)一步提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和硬度以及伸長率。此外，它能證明纖維含量在機(jī)械性能復(fù)合材料扮演一個重要角色;一般來說，磨玻璃纖維超過5%可以大大提高彈性體各方面的機(jī)械性能。此外

14、，它還表明了未經(jīng)處理的磨玻璃纖維可以改善單一機(jī)械性能，但可能會影響彈性體的其他性能。參考文獻(xiàn)1 Z. Wang, T.J. Pinnavaia, Chem. Mater. 10 (1998) 3769.2 Y.I. Tien, K.H. Wei, Macromolecules 34 (2001) 9045.3 Y.I. Tien, K.H. Wei, Polymer 42 (2001) 3213.4 Z.S. Petrovic, I. Javni, A. Waddon, et al., J. Appl. Polym. Sci. 76 (2000)133.5 T.K. Chen, Y.I. Tien, K.H. Wei, J. Polym. Sci., A 37 (1999